前言

零基础初学数字IC，学会什么写什么，与大家一起进步。

最近面试过程中经常被问到有关功耗的问题，回答的不是很好，所以本篇中主要总结一下与功耗相关的问题，以便后续复习。

一、数字芯片的功耗定义

数字芯片的功耗可以分为两个部分：动态功耗和静态功耗。动态功耗是芯片正常工作时由于信号翻转产生的功耗，静态功耗是电路在通电但是不工作时产生的功耗。

动态功耗（Dynamic Power）= 翻转功耗（Switch Power） + 短路功耗（Internal Power）

翻转功耗：芯片在工作过程中，由于负载电容进行充放电导致的功耗；

$P_{switch}=k \cdot C \cdot {V_{DD}}^2 \cdot f$

短路功耗（Internal Power）：信号的翻转不是在瞬时完成的，那么在翻转的过程中总有一段时间会导致NMOS和PMOS同时导通，那么相当于在VDD和GND之间形成了短路，由此产生的功耗就是短路功耗；

$P_{internal}=m \cdot V_{DD} \cdot I_{sc}$

静态功耗（Leakage Power）主要是由于泄露电流而导致的功耗，在CMOS 门中，漏电流主要来自4个源头：

亚阈值漏电流(Sub-threshold Leakage, ISUB）: 亚阈值泄漏电流是晶体管应当截止时流过的电流；
栅极漏电流(Gate Leakage, Igate): 由于栅极氧化物隧穿和热载流子注入，从栅极直接通过氧化物流到衬底的电流；
栅极感应漏电流(Gate Induced Drain Leakage, IGIDL): 结泄漏电流发生在源或漏扩散区处在与衬底不同电位的情况下。结泄漏电流与其他泄漏电流相比时通常都很小。
反向偏置结泄漏(Reverse Bias Junction Leakage ,IREV):由少数载流子漂移和在耗尽区产生电子/空穴对引起。

$P_{leakage}=f(V_{DD}, V_{th}, \frac{W}{L})$

静态功耗可以看作是电压，阈值电压和晶体管尺寸的函数。

电压角度：

降低工作电压；
使用多电压域：对于不同 function 的 blocks 和 modules 提供不同的电压；例如，对于存储器采用高电源电压来保证存储单元的稳定性，对于处理器采用中等大小的电压，对运行速度较低的IO外围电路采用低电压；决跨电压域信号传输的方法是使用电平转换器；
动态电压缩放技术 DVS（Dynamic voltage scaling）：芯片在运行的过程中动态的调整某些部分的电压；例如：处理器可以在不同的工作模式下使用不同的电压；
动态电压频率缩放技术 DVFS（Dynamic voltage frequency scaling）：芯片在运行的过程中动态的调整某些部分的电压和频率；这种技术需要软硬件协同处理；
电源关断 Power-gating；

负载电容角度：

数据翻转角度：

频率角度：

电压角度：

泄露电流角度：

提高使用高阈值电压的晶体管 HVT 的比例；
使用多种阈值电压的晶体管：对于不同的 blocks，modules 安排使用不同阈值电压的晶体管，实现 performance 和 power 的balance；
使用多栅氧厚度晶体管；
调节衬底电压，使晶体管处于反向体偏置；

以上就是今天学习的数字芯片中功耗相关的内容，欢迎大家一起讨论交流~

参考资料：